时间：2023-09-13 17:12:47
导语：在化学气相沉积的概念的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
硬质膜涂层能减少刀具与工件间的摩擦，降低刀具切削过程中的磨损，显著提高刀具的使用寿命，因此被广泛地应用于刀具涂层。在传统涂层的制备中，化学气相沉积CVD和物理气相沉积PVD（蒸镀、溅射、离子镀）仍是刀具涂层制备的主要技术。采用CVD技术可在硬质合金可转位刀具表面实现TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等单层及多元多层复合涂层的沉积；采用PVD涂层技术可在硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等表面制备多种涂层。随着各类高效、高速、高精度数控机床及加工中心的应用、普及以及绿色制造理念的提出，为了满足各种高硬度、高韧性的难切削加工材料的加工需要，干切削技术越来越受到人们重视，同时也对刀具涂层技术及涂层材料提出了更高要求。纳米薄膜顺应了干切削条件下对刀具的新要求，因此纳米薄膜及其在干切削刀具中的应用成为目前刀具涂层制备及表面工程技术领域的研究热点。
2纳米薄膜技术的研究及发展
随着纳米材料的出现，纳米薄膜（涂层）技术也得到相应的发展。时至今日，已从单一材料的纳米薄膜转向纳米复合薄膜的研究，薄膜的厚度也由数微米发展到数纳米的超薄膜。目前已经制备的薄膜有Ti（N，C，CN）、（V，Al，Nb）N、Al2O3、SiC及Cu、Ni、Al、Ag、Au、金刚石等。其中TiN、Al2O3、TiC是较典型的超硬膜，其显微硬度分别为HV1950、HV3000和HV3200，抗磨顺序是TiC>TiCN>TiN>Al2O3。这些薄膜在刀具、微机械、微电子领域作为耐磨、耐腐蚀涂层及其它功能涂层获得重要应用。自VeprekS等提出超硬纳米复合膜的概念以来，对纳米复合膜的研究更是引起广泛的重视。超硬纳米复合膜具有表面减摩、耐磨作用，可以改善摩擦副的运动可靠性和寿命，达到与高合金材料相同甚至更佳的使用效果，实现节能、节材及提高效率的目的。纳米复合膜是由两种不同材料组成，这两种材料可以是纳米晶/纳米晶，也可以是纳米晶/非晶态，每种材料的粒子尺寸在3～10nm。在复合薄膜制备方法中，等离子化学气相沉积（PACVD）最早应用于制备nc-TiN/Si3N4、nc-TiN-BN和nc-TiAlSiN薄膜。
如VeprekS和ShizhiL等人采用PACVD方法，以SiCl4、SiH、TiCl4、H2为反应气体，在550～600℃的沉积温度下制备了nc-TiN/α-Si3N4薄膜。但制备过程中反应气会腐蚀膜和设备，有造成环境污染甚至火灾的危险。一般来说，CVD沉积技术需要温度达500～600℃以促使纳米晶粒的生长，而过高的沉积温度会造成基材软化、尺寸精度下降等问题，因此严重限制了纳米复合膜的应用。研究表明，制备纳米复合膜的关键在于快速形成晶核的同时保证晶粒尺寸的低速增长。因此为保证覆膜后的整体性能不至下降，降低沉积温度便成为其技术关键。
目前的实验表明，磁控溅射技术是低温沉积最有效的方法。所以，目前的研究主要集中在用磁控溅射法制备纳米复合膜。如反应磁控溅射沉积广泛应用于制备MeC/DLC（类金刚石碳膜），Me为过渡金属如Ti等。采用这种技术，其沉积温度可低于150℃。KarvánkováP等人应用不平衡磁控溅射技术制备ZrN-Ni和CrN-Ni纳米复合膜，基体温度分别为300℃和200℃；通过制备试验还发现，当基体温度高于400℃时，合成膜的硬度会降低。由此可见沉积温度对纳米复合膜的硬度影响甚大。
MusilJ用直径100mm平面球形不平衡磁控管，在总压0.5Pa的Ar和Ar+N2混合气体中对TiAl合金靶进行溅射，N2分压连续变化导致薄膜结构和显微硬度明显变化，获得的nc-TiAlN/AlN纳米复合膜显微硬度高达47GPa，且具有高的弹性回复（74%）。
同时，多种技术的复合在纳米复合薄膜制备中也体现出独特的优势（如磁控溅射法与脉冲激光技术的结合）。VoevodinAA等人采用脉冲激光沉积技术（PLD）和磁控溅射技术相结合分别制备了TiC/DLC、WC/DLC/WS2纳米复合膜。由于采用这种复合技术使得沉积时的基体温度低于100℃，因而该法成为制备W-C-S系列纳米复合膜的主要方法。MengWJ等人采用射频耦合辅助（ICP）PVD/CVD技术与反应磁控溅射技术相结合制备Ti/α-C:H纳米复合膜也取得良好效果。
由于PVD、CVD等方法工艺复杂，成本昂贵，不宜用于大面积制备纳米复合薄膜，因此近十多年来，国外对电沉积法制备纳米晶体材料进行了较多研究，国内近几年也开始了这方面的研究。电沉积法因设备简单、工艺成熟、低温且参数可控等突出优点而逐渐受到重视。电沉积方法经历了直流、脉冲及选择性喷射电沉积的发展，目前已能制备出各种厚度的薄膜。已研究的电沉积纳米材料有镍、铜、钴等，其中镍及镍基合金的复合沉积是最受关注的，已沉积的材料有Ni-P、Ni-Fe、Ni-Cu、Ni-Mo、Ni-SiC、Ni-Al2O3、Ni-ZrO2等。在基体上电沉积薄金属层（厚度100μm以下）以改善表面性能是电沉积技术最广泛的应用。电沉积的纳米结构薄层，具有高耐磨、耐蚀性的同时，又具有高的硬度及与基体极好的结合力，可作为理想的保护性镀层；所具有的低磨损率和较低的摩擦系数，可用于要求高耐磨性的同时又要求低摩擦系数的场合，如刀具材料、汽车发动机和液压活塞的表面涂层等。
有报道表明，近年来许多研究者用溶胶－凝胶法制备了纳米薄膜。由于溶胶的先驱体可以提纯且其溶胶－凝胶过程在常温下可液相成膜，所用的设备简单，操作方便，具有化学计量比易控、成份均匀、成膜面积大等优点而被广泛用于薄膜制备。目前已采用该法制备的纳米复合薄膜主要有Co（Fe，Ni，Mn）/SiO2，CdS（ZnS，PbS）/SiO2等。陈元春等就溶胶－凝胶法制备氧化铝涂层硬质合金刀具进行了研究，可获得单层凝胶膜的厚度在几百纳米以内。试验结果说明在干切削状态下溶胶－凝胶法制得的涂层刀具寿命比未涂层刀具提高一倍左右。
3纳米薄膜在干式切削刀具中的应用
涂层技术的发展是干式切削加工得以推广应用的重要条件之一。在干式切削过程中，具有纳米薄膜的刀具涂层可起到明显作用：①在刀具与被切削材料之间形成隔离层；②通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低热冲击；③减少摩擦力及摩擦热。刀具通过涂层处理，可实现固体，减少摩擦和粘结，使刀具吸收热量减少，可承受更高的切削温度。
目前，采用封闭场非平衡磁控溅射（CFUMS）技术，可在硬质合金刀具和HSS钻头上涂覆上B4C/W多层纳米涂层。涂层总层数100层，每层由厚度为13埃的B4C涂层材料及18埃的W涂层材料组成。在105m/min的切削速度下，分别用B4C/W多层纳米涂层刀具与未涂层刀具、普通单涂层（TiAlN）刀具、三涂层（TiC/TiCN/TiN及TiC/Al2O3/TiN）刀具对中碳钢进行了干切削对比试验。试验结果表明，纳米涂层刀具的后刀面磨损量比未涂层刀具和常用的TiC/Al2O3/TiN三涂层刀具大大减小。此外，随着切削时间的延长，纳米涂层刀具的切削力与未涂层刀具、TiC/TiCN/TiN三涂层刀具和TiAlN涂层刀具相比也显著减小。试验进一步说明了采用封闭场非平衡磁控溅射技术生产的刀具涂层具有重复性好、涂层与基体粘结强度更高、摩擦系数小等特点，因而在干切削中具有更长的使用寿命。
层状结晶的二硫化钼具有较小的摩擦系数，是常用的固体剂。将MoS2与耐热金属Mo组合成复合涂层MoS2/Mo，具有优异的减摩耐热的效果。研究者采用MoS2/Mo双材料涂层结构在HSS钻头表面制备了层厚80埃、总厚度为3.2μm（共400层）的纳米涂层。用该涂层钻头与未涂层HSS钻头进行了TI6Al4V合金工件干切削对比试验。试验用钻头直径为φ9.5mm，名义钻削速度2200rpm。试验结果表明，未涂层钻头钻进时，由于钻削力急剧增大，导致钻头卡入工件中；测得多层纳米涂层钻头钻进时的钻削力减小约33%，在相同的钻削时间内能保证正常钻削，钻削性能显著优于未涂层钻头。说明采用MoS2/Mo双材料涂层结构的纳米涂层刀具是适用于干切削的理想刀具。
此外，刀具表面涂覆纳米（Ti50Al45Si5）N、（Ti50Al45Si5）N+（Ti80Al15Si5）N和Ti-B-N四种纳米复合涂层后，对ASTM1043标准钢工件进行的切削试验（切削速度为150～310m/min，切深为2mm，进给量为0.219mm/rev）也表明这几种纳米复合涂层在高速切削测试中具有极其优异的耐磨性，可用作干切削刀具的涂层材料。
关键词：激光无损检测 超声无损检测 射线无损检测
在现代生产中针对不同对象选择何种无损检测方法已成为人们关注的问题,为解决好这个问题,就必须对无损检测方法及其特征有较全面的了解。所谓无损检测,是在不损伤材料和成品的条件下研究其内部和表面有无缺陷的手段。也就是说,它利用材料内部结构的异常或缺陷的存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化,评价结构异常和缺陷存在及其危害程度。下面简要介绍三种常用方法的应用和发展。
一、激光技术在无损检测领域的应用与发展
激光技术在无损检测领域的应用始于七十年代初期,由于激光本身所具有的独特性能,使其在无损检测领域的应用不断扩大,并逐渐形成了激光全息、激光超声等无损检测新技术,这些技术由于其在现代无损检测方面具有独特能力而无可争议地成为无损检测领域的新成员。
1.激光全息无损检测技术
激光全息术是激光技术在无损检测领域应用最早、用得最多的方法。激光全息无损检测约占激光全息术总应用的25%。其检测的基本原理是通过对被测物体加外加载荷,利用有缺陷部位的形变量与其它部位不同的特点,通过加载前后所形成的全息图像的叠加来反映材料、结构内部是否存在缺陷。
激光全息无损检测技术的发展方向主要有以下几方面。
(1)将全息图记录在非线性记录材料上,以实现干涉图像的实时显现。
(2)利用计算机图像处理技术获取干涉条纹的实时定量数据。
(3)采用新的干涉技术,如相移干涉技术。在原来的基础上进一步提高全息技术的分辨率和准确性。
2.激光超声无损检测技术
激光超声技术是七十年代中期发展起来的无损检测新技术。它利用Q开关脉冲激光器发出的激光束照射被测物体,激发出超声波,采用干涉仪显示该超声波的干涉条纹。与其他超声无损检测方法相比,激光超声检测的主要优越性如下。
(1)能实现一定距离之外的非接触检测,不存在耦合与匹配问题。
(2)利用超短激光脉冲可以得到超短声脉冲和高时间分辨率,可以在宽带范围内提取信息,实现宽带检测。
(3)易于聚焦,实现快速扫描和成像。
3.激光无损检测的发展
激光超声检测成本高,安全性较差,目前仍处于发展阶段。但在无损检测领域,激光超声检测在以下几方面的应用前景引起了人们的关注:(1)可用于高温条件下的检测.如热钢材的在线检测;(2)适用于某些不宜接近的样品,如放射性样品的检测;(3)激光束可入射到任何部位,可用于检测形状奇异的样品;(4)可用于超薄超细的样品及表面或亚表面层的检测。国外近几年已有将激光超声检测用机复合材料的检测、热态钢的在线检测的报道,在化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体溅射等高温镀膜工艺过程中膜层厚度的实时检测方面也进行了研究。
二、超声检测技术在无损检测中的应用与发展
超声无损检测技术(UT)是五大常规检测技术之一,与其它常规无损检测技术相比,它具有被测对象范围广。检测深度大;缺陷定位准确,检测灵敏度高;成本低,使用方便;速度快,对人体无害以及便于现场使用等特点。
1.超声检测技术的应用
(1)目前大量应用于金属材料和构件质量在线监控和产品的在投检查。如钢板、管道、焊鞋、堆焊层、复合层、压力容器及高压管道、路轨和机车车辆零部件、棱元件及集成电路引线的检测等。
(2)各种新材料的检测。如有机基复合材料、金属基复合材料、结构陶瓷材料、陶瓷基复合材料等,超声检测技术已成为复合材料的支柱。
(3)非金属的检测。如混凝土、岩石、桩基和路面等质量检验,包括对其内部缺陷、内应力、强度的检测应用也逐渐增多。
(4)大型结构、压力容器和复杂设备的检测。由于超声成像直观易懂,检测精度较高。因此,近几年我国集超声成像技术及超声信号处理技术等多学科前沿成果于一体的超声机器人检测系统已研制成功,为复杂形状构件的自动扫描超声成像检测提供了有效手段。
(5)核电工业的超声检测。
(6)其它方面的超声检测。如医学诊断广泛应用超声检测技术;目前人们正试图将超声检测技术用于开辟其它新领域和行业,如人们正努力将超声检测技术用于血压控制系统进行系统作非接触检测、辨识。性能分析和故障诊断等。
2.超声检测技术的发展
在现代无损检测技术中,超声成像技术是一种令人瞩目的新技术。超声图像可以提供直观和大量的信息,直接反映物体的声学和力学性质,有着非常广阔的发展前景。现代超声成像技术都是计算机技术、信号采集技术和图象处理技术相结合的产物。数据采集技术、图象重建技术、自动化和智能化技术以及超声成像系统的性能价格比等发展直接影响超声检测图像化的进程。现代超声成像技术大多有自动化和智能化的特点,因而有许多优点,如检测的一致性好,可靠性、复现性高,存储的检测结果可随时调用,并可以对历次检测的结果自动比较,以对缺陷做动态检测等。
目前已经使用和正在开发的成像技术包括:超声B扫描成像,超声C扫描成像、超声D扫描成像,SAFT(合成孔径聚焦)成像,P扫描成像,超声全息成像,超声CT成像等技术。
三、射线技术在无损检测领域内的应用与发展
1.射线检测技术的应用
射线检测技术是利用射线(X射线、射线、中子射线等)穿过材料或工件时的强度衰减,检测其内部结构不连续性的技术。穿过材料或工件的射线由于强度不同在X射线胶片上的感光程度也不同,由此生成内部不连续的图像。
(1)早期使用在石油工业.分析钻井岩芯。
(2)在航空工业用于检验与评价复合材料和复合结构。评价某些复合件的制造过程。也用于一系列情况下样件的评价;这种检测与评价过程,大大简化了取样破坏分析过程。
(3)检测大型固体火箭发动机,这样的射线系统使用电子直线加速器X射线源,能量高迭25MeV,可检验直径达3m的大型同体火箭发动机。
(4)检验小型、复杂、精密的铸件和锻件,进行缺陷检验和尺寸测量。
(5)检查工程陶瓷和粉末冶金产品制造过程发生的材料或成分变化,特别是对高强度、形状复杂的产品。
(6)组件结构检查。
摘要：笔者从几年的“微电子工艺”教学实践中提出了7点关于课堂教学改革方法：布置思考问题，引导学生预习；板书与多媒体教学相结合；现场小实验和实物展示；播放实地拍摄的录像；理论计算与工艺模拟相结合；专题讨论以及安排综合训练任务。通过一系列的改革措施，学生对这门课程从理论到实践都具有比较深刻的认识。
关键词：微电子工艺；课堂教学；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）49-0212-02
微电子工艺课程是为电子与信息工程学院电子科学技术专业设立的一门必修课。通过对本课程学习，使学生对半导体集成电路制造工艺流程及工艺原理有一个较为完整和系统的概念，并具有一定工艺分析、工艺设计以及解决工艺问题和提高产品质量的能力。
一、课堂教学改革整体思路
根据以往的授课经验，如果学生能够提前预习下节课内容，就会对将要讲授的内容有所思考，并且会提出问题，这样听课的时候更会抓住重点；如果能参与课堂讨论，将对知识点理解的更为透彻。因此，在本轮教学中每节课将针对下节课内容预留思考题，这些问题将会在授课时结合知识点给予回答，或者将其作为讨论内容。由此，对“微电子工艺”课程的课堂教学从以下几方面进行了改革：
1.每节课后设置思考题。例如，引言之后设置思考题：晶体中，不同晶向性质不同，如何定义晶向？制造不同类型的集成电路选用不同晶向的材料，材料的晶向由什么来决定？回答了这个问题，将会引入关于晶体生长的内容，而这部分内容与《半导体物理》中的晶向、晶体结构的知识点相关，也是对所学知识的复习。又如，晶体生长之后设置思考题：半导体生产要求一个非常洁净的环境，特别是工艺越先进，集成度越高，环境的洁净度也越高，那么这样的环境我们需要考虑哪几大方面呢？净化级别又如何定义呢？回答了这个问题，将会引入关于“工艺中的气体、化试、水、环境和硅片清洗[1]”中环境净化的内容。这些问题的作用更像是预习作业，为学习下节课内容做好准备。
2.板书与多媒体教学相结合。微电子工艺教学中，像氧化、扩散、光刻以及工艺集成如果仅仅凭着画图讲解很难有一个直观的理解，如果结合多媒体中精准的俯视图、剖面图、动画展示，会给学生以直观、清楚的认识。例如，杂质原子在硅片中的扩散过程、单个硅原子在硅片表面运动形成硅外延层的生长过程等。
3.现场小实验和实物展示。教学中思考的最多的是如何吸引学生的听课兴趣，因此当讲到某个知识点时，话题中尽量引用与实际相关的例子或拿来实物展示。比如讲到去离子水，就联系到生活中纯净水的制备；讲到文氏管，就现场做一个小实验来讲解文氏管的原理；讲到硅片的制备，就拿来硅片实物；讲到光刻，就拿来掩膜版给学生展示，加深对知识点的理解。
4.播放半导体生产的录像。因为微电子工艺生产有其特殊性，要求环境洁净度非常高，如果带领学生实地去工厂参观，会影响正常的生产，因此，联系相P的工厂，拍摄各个工艺的录像短片，讲到对应知识点的时候播放给学生看，并加上详尽的讲解，这样学生有一个非常直观的认识。
5.理论计算与工艺模拟相结合。本轮教学中，氧化、扩散、离子注入、化学气相沉积等工艺除了以往的理论计算之外，还加入了工艺模拟来对理论计算进行验证和调整，使之与实际的工作过程更加接近[2]。
例1：晶向的硅样品，掺硼，浓度2×1015cm-3，淀积0.4um厚度的氮化硅作为掩蔽，其中一部分刻蚀出窗口，进行磷离子注入，注入能量为50keV、剂量为3×1015cm-2。然后将氮化硅全部刻蚀掉。进行1000℃、10分钟的湿氧氧化，提取注入磷区和没有注入磷区氧化层厚度[3]。通过编写程序，运用silvaco软件模拟结果如图1所示，氧化膜的厚度可以从运行文件中得到。
例2：n型、晶向的硅片上进行15分钟的硼预扩散（温度为850℃），如果硅衬底掺杂磷的浓度在1016cm-3量级，模拟硼掺杂分布和结深。杂质分布模拟结果如图2所示，结深参数从模拟运行文件中得到。
6.专题讨论。为了使学生对课堂讲授内容有所延伸，针对重点内容设立专题讨论课。讨论一：双大马士革铜金属化工艺。这次讨论是针对课上讲授的传统金属化工艺的延伸，结合已学内容，通过查找资料，对于先进的铜金属化工艺进行讨论。讨论二：BiCMOS工艺讨论。这次讨论是针对课上讲授的双极工艺和CMOS工艺的延伸。双极和CMOS工艺的结合并不是简单的叠加，要求是工艺的兼容性、成本的最小化和性能的优化。
7.综合训练。在课程的尾声，要求完成一个集版图、工艺、仿真的综合设计，以检验对微电子工艺课程的理解和掌握程度。
例如：设计一套CMOS反相器版图和与版图对应的工艺流程[4][5]。要求：（1）画出版图，完成金属布线。（2）对应每块版画出工艺步骤的剖面图，在图中标明所用材料和工艺。并对每个剖面做出说明。（3）根据表1给出的工艺条件设计nmos管，使它的阈值电压=0.4V，并测量源区、漏区的结深，方块电阻，杂质分布。给出仿真结果。
二、课堂教学改革效果分析
课堂授课过程中，能够感受到上课听讲的人多了，并且能够有效的互动；因为讨论和综合设计需要人人画图、讲解、回答问题，所以绝大多数同学都能积极进行准备，也能够在答辩过程中提出遇到的问题；有很多同学在之后的课程设计中提出自己的分析问题的方法。
反思多年的课堂教学过程，以及和同学们交流，有以下几点需要不断的改进：①对于定量计算的内容，有一部分同学接受较慢，在很大程度上影响了之后的学习效果。解决方法：把集中讲解的习题课打散，把习题紧随相应的知识点之后进行讲解，用习题来加强对繁琐理论计算的理解。②关于课堂互动。并非每堂课都能轻松愉快，在一些较难的知识点上，学生的反映会比较钝一些。解决方法：强调重点，明确知识点之间的层次与关联；难点慢讲，细讲；增加提问和课上小测验。③讨论和综合训练答辩时间的掌握。无论是讨论还是综合答辩，都是非常耗费时间的，因为每个同学都要自述、提出问题、回答问题。解决方法：根据学生人数，留出足够的时间。比如今年是50个学生，分10组，每次讨论答辩大概3小时，综合答辩4个小时左右。
结束语：通过不断的教学实践摸索，使学生更好的理解和掌握微电子工艺中硅片制备、工艺环境的获得和硅片的清洗、氧化、扩散、离子注入、薄膜淀积、光刻、刻蚀、金属化工艺以及工艺集成等内容，也使学生具有了一定工艺分析、工艺设计以及解决工艺问题和提高产品质量的能力。
参考文献：
[1]Michael Quirk，等.半导体制造技术[M].北京：电子工业出版社，2015.
[2]高文焕，著.计算机分析与设计[M].北京：清华大学出版社，2001.
[3]施敏，著.半导体制造工艺基础[M].合肥：安徽大学出版社，2011.
根据历年《台湾科技年鉴》、《“国科会”年报》、《中研院化学研究所年报》等资料介绍，在理论化学与先进分析方法领域，台湾科学家以往取得的成果包括：以理论计算探讨取代基对环糊精结构的影响；解析单分子层在表面结构重排现象，及混合单分子层在表面重排的相分离现象；利用“质子化诱导的分子内电荷转移”的概念来设计可远端调控的氢键系统，并研究如何设计共轭架桥结构，以增强调控能力；探讨氟取代对氟化并五苯分子半导体特性的影响；利用磷桥及硫桥异核双金属错合物研究异核金属键的化学性质；以六氮巨环配基合成新的三核铜混价含氧错化物；模拟嗜甲烷菌甲烷单氧化酶的反应中心，进行三价铜错合物的合成与光谱鉴定分析以及与受质反应机制之研究；用水热法合成无机固态化合物；研究金属错合物在二氧化碳固定化学上之作用；利用Suzuki耦合反应，成功地耦合带有氰基或不带氰基的苯硼酸与带有氰基或不带氰基之溴化或碘化苯来制备多种含氰基与不含氰基的三联苯；发展能有效用于合成α-芳香基及α-烯基-N，N-二甲基乙酰胺的耦合反应；设计具有功能性的有机分子，配合动力学的测量，探讨其内部的电子及能量转移的机制，以了解分子内予体与受体轨域间的交互作用，另一方面开发电子转移和能量转移反应的基础速率的理论预测方法；研发三维离子速度成像技术，并结合与交叉分子束实验技术，探测两个反应产物彼此的关联性；发现手性分子并不是等分布性，而是随着马达的移动及转动的动态所产生的力场而有所改变，达到辨识、分离手性分子的结果；成功发展出三维离子速度成像技术，其灵敏度与解析度在全世界首屈一指，并发现了“反应动态共振”的成因与性质等。
2006年，台湾中研院化学所的研究人员发明一种新质谱游离技术――电喷洒辅助激光脱附游离法，即将适合游离大分子的电喷洒游离法与基质辅助激光脱附游离法的游离源结合起来，可在常温和常压下操作，而且不需将样品和基质混合处理，即可速探测到样品中所含的各种化学物品的质谱信号，因此可适用于极微量的气体、液体和固体样品的快速分析，一举突破了上述两种方法在样品检测上的限制。
该所纳米生医研究团队2007年成功结合磁性纳米材料及基质辅助激光吸收脱附质谱仪的优势，发展功能化磁性纳米粒子探针亲和力质谱分析平台，将此分析平台应用于微量小分子药物的高通量检测，可快速纯化小分子化合物，如农药、违禁食品添加剂及，并利用基质辅助激光吸收脱附质谱仪进行精确分子量鉴定。
2009年，台湾中研院化学所的首次由实验结果观察到激发态在共轭高分子（或称导电高分子）的共轭系统中是二维的现象。此项结果乃结合异三并苯的对邻位键结与二维梯状平面结构达成，前者使得激子可以有效从对位共轭链进入到邻位共轭链，后者则使得整个共轭骨架保持共平面，而不会因结构扭曲而使激子定域化，其具体结构为一系列含不同苯环数目的星状结构的梯状苯聚合物，结果显示激子可扩及每一个苯环，且此线性也可与链形梯状聚对苯的性关系重叠，并进一步利用荧光方向性的测量来确立其分子属单一发光团。
该所研究团队在2011年研发气哨音波感测泛用型技术，对于微量分析物进行检测时，利用气相层析分离设备内的哨型器，待测气体流经装置时，空气柱会发生振动而形成驻波产生声音，由高灵敏度麦克风并经傅立叶转换后根据分析物相对于声音信号出现的时间与频率的变化量，便可同步观测单一谱峰，可用来确认分析物的成分与含量。对于检验或监测，仅需读取频率的改变量，不需要校正曲线的辅助，即可直接估算分析物浓度。此项装置为学术界及产业界提供新的气体快速检测及定量分析方法，对现行热导探测器、火焰离子化探测器、半导体感应器及质谱仪等各类仪器不足之处进行补强。
先进材料化学
在先进材料化学领域，台湾科学家以往取得的成果包括：开发多种高效率有机发光分子，包括多种四苯硅烷或四苯甲烷分子玻璃材料及二吡咯吡啶骨架的蓝光、绿光材料及含铱金属的红光材料；利用开发的蓝光材料搭配红光材料，制成高亮度的电激发光材料及白光元件；以三芳香基胺顺丁烯亚酰胺所制备的非掺入型发红光有机发光二极管，能够发出有效率的红光；开发有高荧光量子产率的共轭三吡啶衍生物及其金属错合物发光材料；开发出具有荧光特性的长方形及笼状超分子化合物；开发得到自发性组合环形的三次非线性光学化合物、高分子型二次非线性光学化合物；合成供双光子吸收或双光子荧光的三次非线性光学材料；制备新颖特殊的有机金属化学气相蒸镀陶瓷薄膜材料；合成含甲硫醇功能基且具有17个苯环及16个碳-碳双键的纳米级有机分子；发现含有呋喃的多苯化合物是有效的空穴传递材料，及利用芴（fluorine）分子及星形化合物，创造一个形态稳定（高Tg）的空穴传导材料；研究碳纳米管的生长机制，可将碳管选区生长在各种材料表面，并达到高密度、低温成长、垂直排列等功效；开发场发射显示器；利用推拉电子基取代的制作出高效率与亮度的非掺入型红色有机发光二极管；合成各种形状、不同大小的金、银纳米量子点，研发出一种可以在硅、蓝宝石、氮化镓、磷化镓、铝、铜、玻璃等材料上制造纳米针尖的技术，并证明其在催化、场发射、抗光反射、表面共振光学上有特殊的功效；利用一氧化碳和镉制成自组装一维超分子材料，并观察到新的光学及结构现象。
2008年，台湾中研院化学所陈锦地等人通过成功的精心的分子设计，开发出一系列咔唑-共轭-双三甲基苯硼烷双极性荧光物质，制作高效率非掺入型蓝色有机发光二极管，突破目前双极性的蓝色发光物质所面临到的难题。电激发光的效率很高，最大外部量子效率达到6.9%。该研究团队正进一步探讨研究利用此处的分子设计，用在白光有机发光二极体固态照明上。
近年来，台湾大学彭旭明领导的实验室专注于分子电子学的研究，2009年采用扫描式隧道显微镜测量金属串分子（以4个多吡啶胺与金属离子错合，并在分子的两端各有轴向配基，具有良好电子传导性质，可作为分子导线）的导电性，得到电流与探针移动距离的关系，计算出镍、钴以及铬核金属串分子的键序，即金属核之间的键结程度；以导电原子力显微镜观察，发现铬核金属分子的导电能力有着强弱变化，分别代表开与关两种性质，显示其具备分子开关的特性。
台湾中研院化学所团队利用适当的有机自组装分子层修饰金的表面，成功地改变五环素（pentacene）分子与表面作用力，提高五环素分子层的结晶性，得到高效能场效应晶体管元件，再将金纳米粒子安置于其中，藉由纳米粒子用来当作储存电荷的浮置阀，使晶体管元件同时具有记忆性质，因而成为具有记忆功能的三端点存储元件。根据这一结果，该研究团队正在进一步使用其他金属纳米粒子或有机纳米颗粒，制作出更多性能可以调控的有机场场效应晶体管/存储器元件。
二硫化钼是继石墨烯之后备受关注的层状材料之一。台湾科学家2012年首先利用化学气相沉积法研发出制备大尺寸高品质二硫化钼均匀薄层的方法，为二硫化钼及相关的无机二维材料电子学研究及应用奠定了材料基础。此外，利用离子凝胶作为介电层，⒍硫化钼制作为软性晶体管，发现二硫化钼薄层并不像一般无机材料容易碎裂，反而具有惊人的高度柔软性，使其有机会取代共轭高分子，成为软性电子的主动材料。
环境化学与能源化学
在环境化学与能源化学领域，开发新型催化剂是保护环境、治理污染和发展绿色能源必不可缺的内容。台湾科学家以往取得的成果包括：利用X光光电子能谱、傅立叶转换红外光谱及程温脱附研究小分子在催化剂表面的吸附与反应，检测其反应活性并推导反应机理；研发出可大量产生高纯度甲烷单氧化酶的发酵法，除光谱分析及生化方法鉴定外，并针对此酶活性，测定基质氢与碳的同位素效应，归纳出催化中心的反应型态；研究钯催化聚烯反应，证明中性的钯-醛酰配位错合物具催化聚合烯类化合物的效果，其活性与配位基的电子组态、立体障碍有关；制备出在甲苯的对位上带有甲氧基的钯环催化剂衍生物，促使芳香烃卤化物进行同耦合反应；用二氧化钛涂布中孔洞材料的表面，制备多孔洞二氧化钛材料以研究其作为异相催化剂载体的性质，发现不错的活性；以氘丁烷测量其同位素效应，并测量其疏水性中心反应空间的大小，显示甲烷的催化需要一定的疏水作用及适当的位向方可进行，另外以密度方程式的方法计算反应的发生路径，甲烷的活化以三个铜原子协调一致的作用方式最为有利；发现纳米级催化系统常可提供其他尺度材料截然不同的催化活性，带来崭新的应用；开发纳米尺度的硅倍半氧多聚体复合材料，并探索硝化、聚合等催化反应效率，重点研究以多孔性材料为载体的金属催化剂以及纳米级二氧化钛催化剂等。
结构内部具有纳米大小孔洞的介孔物质可以作为分子筛，用作催化反应或用来储存氢气与二氧化碳，以及应用于新型无镧荧光粉材料。新竹清华大学的研究人员在2010年突破前人的瓶颈，利用不同长度直碳链的单胺作为聚集式模板，掌控纳米孔洞大小，导引出由3种相同构建单元组装而成的无机纳米孔洞骨架，进而达到系统性合成，成功开发出理性合成无机骨架的方法，设计出一系列新颖的晶型纳米孔洞结构，不仅第一次超越了自然界36R的纳米孔，更重要的是孔径超越以往晶型孔洞物质2纳米的上限，使科学家第一次认知到结晶性介孔无机物质是存在的。
台湾中研院化学所研究团队致力于选择性材料的开发，即在纳米空间中将功能基或客体嫁接或沉积在特定位置上，藉以形成多功能纳米复合材料，并在纳米生物医学、绿色催化以及气体吸附与传感测量应用中展现出优越与特殊的性质与表现。
另外，台湾科技人员还通过实验证实，碳纳米管在锂电池的应用上比石墨电极的效率高，利用碳纳米管发射脉冲电子束，其电子束强度较其他材料高出千倍以上；
目前已知的化学反应无法解释臭氧洞的形成。为此，台湾科学家决定跳脱传统光谱学的思维，2009年提出创新的解决方案，结合分子束、激光与质谱等技术，精密地测量过氧化氯分子在代表性波长下的光分解速率，以明确的证据平息全球科学界对于臭氧层被破坏方式的重大争议。该团队精确测量了过氧化氯分子光分解产物的产率，并清楚确立了其光分解动态。这些结果不但增进人类的基础知识，也为大气化学家提供了精确的参考数据，对于臭氧层中发生的化学反应能依此做更深入的研究。
染料敏化太阳能电池相较于传统硅基太阳电池，具有色彩多样化、元件效能不随温度增加而降低、可制作半透明、可挠曲元件和弱光下即可发电等优点，因此极具商业化价值，但钌系错合物染料的最佳光电转换效率在过去二十几年中一直无法突破12%。有鉴于此，台湾中研院化学所林建村等人2011年针对各类的紫质染料来进行测试，发现其中以YD2-o-C8元件性能最为优异，由此制成的高效能染敏型太阳能电池，在模拟太阳光一半强度照射下，其光电转换效率可达13.1%的世界纪录，这是以钌金属作为光敏染料的DSSC元件自2005年达到11%以来至今最大突破。
生物及医药化学
在生物及医药化学，台湾科学家以往取得的成果包括：将固相萃取及微透析膜分别整合在电泳芯片上，增加浓缩、即时取样等分析功能，应用于连接聚合链锁反应产物的临床分析及蛋白质分析；发展醣类金纳米粒子，应用到细菌的检测及分析标定；尝试用纳米粒子在老鼠身上产生新抗体；发展出不同颜色的功能化Ⅱ-Ⅵ族半导体粒子，再将其与生物检测上使用的抗体或DNA结合，用于细胞器标定和DNA序列鉴定，提供一种快速且精准的生物检测技术；由核磁共振频谱及圆二色偏光光谱分析，得到牛痘病毒蛋白质分子模型，可推断造成此病毒蛋白质分子集结原因及负责的氨基酸；开发新合成方法，制备一系列与细胞表面醣体硫酸乙酰肝素有关的寡醣，找出结合最强的寡醣，作为复合体结构分析及电脑分子模拟设计抑制物；完成核酸突状结构的探测及其反应机制的推导；利用光谱法定出艾滋病毒过膜蛋白核心结构形成的氨基酸残基，并发展出引发多株抗体的抗原；研究感冒病毒与胞膜作用对pH 的变异性；发现回纹式核酸三螺旋在水溶液中有前所未有的新结构，其功用可能有助于核酸链在染色体紧密排列，证明核酸在水溶液中是一种机动平衡；完成人类抗体蛋白质工程研究，以大肠菌培养法大量生抗体并使之活化；研发具有抗肿瘤潜力的药物胞核-单磷酸N-乙酰神经胺糖酸直链状类似物；证明以醣类分子包裹的金纳米粒子为良好的多重价载体；开发新方法用于合成海藻醣脂醇；以肽形成淀粉状蛋白纤维的现象为研究对象，了解其纤维化的过程藉由动力学的控制效应；率先报导一锅化保护-醣链结反应，有效合成α12链结的双醣体；利用光不稳定化合物，合成一系列包覆后的肽，根据其包覆前及包覆后的光谱资料，建立其确实的结构信息；成功合成出半乳醣脂质及其衍生物，并发现其免疫调节活性；成功开发出以三氟甲磺酸铜盐催化六碳醣与醋酸酐的无溶剂且高产率的全乙酰化反应；成功开发出以自然界存量最多的D式葡萄糖为起始物，合成多种具潜在生物活性的L式六碳醣衍生物的合成途径等。
2006年，台湾中研院化学所研究人员利用金属纳米材料进行蛋白质、DNA与重金属离子的探测，并进行纳米药物的开发以调控凝血作用。所开发的高感度纳米光学传感器可用于乳癌标志物的定测量试，也可进行单一碱基对基因突变的检测。另外开发的分子适合体纳米药物除具有快速和极佳调控凝血效果外，其高稳定性和低副作用适合于抗凝血药剂应用，不仅可提高与凝血酶结合能力，也可调控凝血时间。
近几年，该研究团队还将纳米薄膜应用在光学、电化学与质谱探测器，通过制备金属纳米粒子、微纳米粒子、纳米团簇，并进行小分子、DNA、蛋白质和酶等功能化修饰与薄膜化，所形成的功能性复合纳米薄膜可应用于汞、铅、铜等重金属、肿瘤蛋白、酶、DNA和癌细胞探测器的_发与控制药物释放。相关纳米薄膜材料也可应用于表面辅助激光脱附游离化质谱仪，用以探测环境污染物，如重金属铅离子、大肠杆菌等。
荧光共振能量转移方法因可以测量纳米尺度的生物分子构型改变，因此近年来成为了解各种生物现象中分子层面的动态变化的一大利器。在利用荧光共振能量转移方法于观察蛋白质时，研究人员需将欲研究的蛋白作多色的荧光定点标定。然而，此步骤常异常繁琐困难。2009年，中研院生化所杨维元等人开发出运用天然的酵素intein来大幅简化蛋白多色荧光定点标定之步骤，使荧光共振能量转移方法在蛋白质研究能更简易地被运用。
传统药物动力学的区室分析方法是将生物体组织分为一至多个区室，每一个区室内部的特定物质均视为均匀分布，探讨生物体内不同区室里，特定物质动态吸收、分布、代谢和排泄的定量变化趋势，并藉以达成其药物试验的剂量设计、解释造成药效的研究。然而，对于特定区室的物质动态变化而言，常常会因缺乏适当的实验数据而无法进行。为克服此难题，台湾研究人员在2010年陆续成功开发出多种可用以进行细胞外液区室内各种原生性（如脑内金属）及外源性物质（如金属离子、纳米粒子）动态浓度变化趋势监测的活体动物体内自动化连线分析技术。
大蛋白质复合体往往有容易裂解的问题，因此提高了用X光结晶学作为解析结构方法的困难度。为了了解相位显微镜在提高衬度（即图像的信号噪音比）后所带来的具体影响，中研院化学所研究人员定量比较了相位片电子显微镜和传统电子显微镜在单粒子重建程序中每一步的效能，结果发现相位片电子显微镜能够帮助分离相似构形的蛋白质图像；而对于分子量介于10万和50万道尔顿的蛋白质，重建三维结构所需的图像数目大约减为传统电子显微镜所需图像数目的1%至10%，因此许多不易获得的蛋白质也有机会纳入结构解析的行列。
2011年，台湾中研院生化所吴世雄领导的研究团队历经4年时间，自台湾出产的释迦及番荔枝科植物的种子中纯化出8种不同呋喃键结型态的番荔枝科乙酰生合成物，藉由核磁共振光谱与恒温滴定测焓仪，证实乙酰生合成物与钙离子螯合，结合成不同形式的钙离子类冠状醚错合物。在生物细胞的实验中，他们进一步证实乙酰生合成物――钙错合物能协助钙离子穿透细胞膜，增加细胞体内的钙离子浓度，扰乱细胞体内钙离子的均一性，进而引起粒线体的去极化，启动细胞死亡，而提供此类天然产物之所以具有强烈的细胞毒杀能力的原因。此研究成果结合化学及生物学的实验方法，厘清乙酰生合成物对细胞内离子均一性的影响，为活性天然物应用于新药开发上提供更直接、可能的作用机制。
肌萎缩性脊髓侧索硬化症（也称运动神经元病或“渐冻人病”）是常见的神经退化性疾病之一。藉由分析TDP-43C端片段的基因序列，可进一步了解其在该病患中所扮演的作用。2012年，中研院化学所研究人员利用生物信息软件PONDR，对TDP-43蛋白的序列进行结构分析，结果显示约80%的C端序列天生没有结构。为了更详尽了解C端片段的特征和物理性质，该团队分别合成4条胜肽片段（D1-D4），结果显示只有D1呈现出纤维的结构，宽度约11纳米且有互相缠绕的现象，同时发现该病患者中可以找到由TDP-43所形成纤维结构的聚集物，因此推测D1具有促进纤维结构形成的能力，帮助了解此疾病所产生的聚集体结构上的特性，有助于找到治疗该疾病的方法。
p53诱导癌细胞凋亡的抗药性是医学界上一直悬而未解的难题。2012年，台湾中研院化学所李文山及王朝谚所等人成功地发展出新型的含钯、金及银金属抗癌剂。此类金属抗癌剂不仅稳定存在似生理状态的缓冲溶液中达3天，且有效的抑制乳癌及脑瘤细胞的生长，尤其对脑瘤细胞具较好的毒杀疗效，并避开p53诱导癌细胞凋亡的抗药性。更进一步的研究发现，这类金属抗癌剂可导致p53-诱发的细胞凋亡（p53蛋白、磷酸化蛋白及bak表现增加）而p21蛋白表现减少。此发现可应用于解决p53诱导癌细胞凋亡的抗药性问题，是治疗脑瘤的一个重要突破。
第一节钢的热处理原理
热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺分类：（根据热处理的目的、要求和工艺方法的不同分类如下）
1、整体热处理：包括退火、正火、淬火、回火和调质；
2、表面热处理：包括表面淬火、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等；
3、化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
热处理的三阶段：加热、保温、冷却
一、钢在加热时的转变
加热的目的：使钢奥氏体化
（一）奥氏体（A）的形成
奥氏体晶核的形成以共析钢为例A1点则Wc＝0.0218％（体心立方晶格F）Wc＝6.69％（复杂斜方渗碳体）当T上升到Ac1后Wc＝0.77％（面心立方的A）由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散，必须进行铁原子的晶格改组，即发生相变，A在铁素体和渗碳体的相界面上形成。有两个有利条件①此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间②原子排列不规则，空位和位错密度高。
珠光体向奥氏体转变示意图
a)形核b)长大c)剩余渗碳体溶解d)奥氏体均匀化
（二）奥氏体晶粒的长大
奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示。分为00，0，1，2…10等十二个等级，其中常用的1～10级，4级以下为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。
影响A晶粒粗大因素
1、加热温度越高，保温时间愈长，奥氏体晶粒越粗大。因此，合理选择加热和保温时间。以保证获得细小均匀的奥氏体组织。（930～950℃以下加热，晶粒长大的倾向小，便于热处理）
2、A中C含量上升则晶粒长大的倾向大。
二、钢在冷却时的转变
生产中采用的冷却方式有：等温冷却和连续冷却
（一）过冷奥氏体的等温转变
A在相变点A1以上是稳定相，冷却至A1以下就成了不稳定相。
1、共析碳钢奥氏体等温转变产物的组织和性能
共析钢过冷奥氏体等温
转变曲线的建立示意图
1）高温珠光体型转变：A1～550℃
（1）珠光体（P）A1～650℃粗层状约0.3μm<25HRC
（2）索氏体（S）650～600℃细层状0.1～0.3μm，25～35HRC
（3）屈氏体（T）600～550℃极细层状约0.1μm，35～40HRC
2）中温贝氏体型转变：550℃～Ms
（1）上贝氏体（B上）550～350℃羽毛状40～45HRC脆性大，无使用价值
（2）下贝氏体（B下）350~Ms黑色针状45～55HRC韧性好，综合力学性能好
（3）低温马氏体型转变：Ms～Mf当A被迅速过冷至Ms以下时，则发生马氏体（M）转变，主要形态是板条状和片状。（当Wc＜0.2％时，呈板条状，当Wc＞1.0％呈针片状，当Wc＝0.2％～1.0％时，呈针片状和板条状的混合物）
（二）过冷奥氏体的连续冷却转变
1．共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和性能
（1）随炉冷P170～220HBS（700～650℃）
（2）空冷S25～35HRC（650～600℃）
\共析碳钢连续冷却转变曲线应用等温转变曲线分析奥氏体在连续冷却中的转变
2．马氏体转变
当冷速>马氏体临界冷却速度VK时，奥氏体发生M转变，即碳溶于α—Fe中的过饱和固溶体，称为M（马氏体）。
1）转变特点：M转变是在一定温度范围内进行（Ms～Mf）,M转变是在一个非扩散型转变(碳、铁原子不能扩散）,M转变速度极快（大于Vk）,M转变具有不完全性（少量的残A）,M转变只有α－Fe、γ－Fe的晶格转变.
（2）M的组织形态
Wc（％）M形态σb/Mpaσs/MPaδ(%)Ak/JHRC
0.1-0.25板条状1020－1530820－13309－1760－18030－50
0.77片状2350204011066
(3)M的力学性能
①M的强度与硬度随C的上升M的硬度、强度上升
②M的塑性与韧性：低碳板条状M良好；板条状M具有较高的强度、硬度和较好塑性和韧性相配合的综合力学性能；针片状M比板条M具有更高硬度，但脆性较大，塑、韧性较差。
第二节钢的退火
1、概念：将钢件加热到适当温度(Ac1以上或以下)，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺称为退火。
2、目的：
（1）降低硬度，提高塑性，
（2）细化晶粒，消除组织缺陷
（3）消除内应力
（4）为淬火作好组织准备
3、类型：根据加热温度可分为在临界温度（Ac1或Ac3）以上或以下的退火，前者又称相变重结晶退火，包括完全退火、扩散退火、均匀化退火、不完全退火、球化退火；后者包括再结晶退火及去应力退火。
（1）完全退火：
1）概念：将亚共析钢（Wc＝0.3％～0.6％）加热到AC3+（30～50）℃，完全奥氏体化后，保温缓冷（随炉、埋入砂、石灰中），以获得接衡状态的组织的热处理工艺称为完全退火。
2）目的：细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。
3）工艺：完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1以下较主温度范围内转变为珠光体。工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要保证全部看到均匀化的奥氏体，达到完全重结晶。完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。
4）适用范围：中碳钢和中碳合金钢的铸、焊、锻、轧制件等。
（2）球化退火
1）概念：使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺称为球化退火。
2）工艺：一般球化退火工艺Ac1+(10～20)℃随炉冷至500～600℃空冷。
3）目的：降低硬度、改善组织、提高塑性和切削加工性能。
4）适用范围：主要用于共析钢、过共析钢的刃具、量具、模具等。
（3）均匀化退火（扩散退火）
1）工艺：把合金钢铸锭或铸件加热到Ac3以上150～100℃，保温10～15h后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。
2）目的：消除结晶过程中的枝晶偏析，使成分均匀化。由于加热温度高、时间长，会引起奥氏体晶粒严重粗化，因此一般还需要进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。
3）适用范围：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。
4）注意：高温扩散退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因其偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒，消除铸造应力。
（4）去应力退火
1)概念：为去除由于塑性变形加工、焊接等而造成的应力以及铸件内存在的残余应力而进行的退火称为去应力退火。
2)工艺：将工件缓慢加热到Ac1以下100～200℃（500～600℃）保温一定时间（1～3h）后随炉缓冷至200℃，再出炉冷却。
钢的一般在500～600℃；铸铁一般在500～550℃超过550℃容易造成珠光体的石墨化；焊接件一般为500～600℃。
3）适用范围：消除铸、锻、焊件，冷冲压件以及机加工工件中的残余应力，以稳定钢件的尺寸，减少变形，防止开裂。
第三节钢的正火
1、概念：将钢件加热到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保温适当时间后；在静止空气中冷却的热处理工艺称为正火。
2、目的：细化晶粒，均匀组织，调整硬度等。
3、组织：共析钢P、亚共析钢F+P、过共析钢Fe3CⅡ＋P
4、工艺：正火保温时间和完全退火相同，应以工件透烧，即心部达到要求的加热温度为准
，还应考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。正火冷却方式最常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度，达到要求的组织和性能。
5、应用范围：
1）改善钢的切削加工性能。碳的含量低于0.25％的碳素钢和低合金钢，退火后硬度较低，切削加工时易于“粘刀”，通过正火处理，可以减少自由铁素体，获得细片状P，使硬度提高，改善钢的切削加工性，提高刀具的寿命和工件的表面光洁程度。
2）消除热加工缺陷。中碳结构钢铸、锻、轧件以及焊接件在加热加工后易出现粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。通过正火处理可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。
3）消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火。过共析钢在淬火之前要进行球化退火，以便于机械加工并为淬火作好组织准备。但当过共析钢中存在严重网状碳化物时，将达不到良好的球化效果。通过正火处理可以消除网状碳化物。
4）提高普通结构零件的机械性能。一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理，达到一定的综合力学性能，可以代替调质处理，作为零件的最终热处理。第四节钢的淬火
1、定义：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间。然后以适当速度冷却获得M或B组织的热处理工艺。2、目的：显著提高钢的强度和硬度。
3、淬火温度的选择
1）碳钢的淬火加热温度由Fe－Fe3C相图来确定，其目的是为了①淬火后得到全部细小的M；②淬火后希望硬度高。
①亚共析钢Ac3+(30～50)℃,可获得细小的均匀的M，如温度过高则有晶粒粗化现象，淬火后获得粗大的M，使钢的脆性增大；如温度过低则淬火后M+F，有铁素体出现，淬火硬度不足。
②共析钢与过共析钢Ac1+(30～50)℃，由于有高硬度的渗碳体和M存在，能保证得到高的硬度和耐磨性。如果加热温度超过Accm将会使碳化物全部溶入A中，使A中的含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，降低钢的硬度和耐磨性；淬火温度过高，奥氏体晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增大。
2）合金钢
①对含有阻碍奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素（如Ti、Nb等），淬火温度可以高一些，以加速其碳化物的溶解，获得较好的淬火效果.
②对含有促进奥氏体晶粒长大的元素（如Mn等），淬火加热温度应低一些，以防止晶粒粗大。
理想冷却速度：650℃以上应当慢冷，以尽量降低淬火热应力。650～400℃之间应当快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定的区域，避免发生珠光体或贝氏体转变。400以下至Ms点附近应当缓以尽量减小马氏体转变时产生的组织应力。具有这种冷却特性的冷却介质可以保证在获得M组织条件下减少淬火应力、避免工件产生变形或开裂。
4、淬火介质
淬火介质：钢从奥氏体状态冷至Ms点以下所用的冷却介质。常用的有三种：
水：650～400℃范围内冷却速度较小，不超过200℃/s，但在需要慢冷的马氏体转变温度区，其冷却速度又太大，在340℃最大冷却速度高达775℃/s，很容易引起工件变形和开裂。此外，水温对水的冷却特性影响很大，水温升高，高温区的冷却速度显著下降，而低温区的冷却速度仍然很高。因此淬火时水温不应超过30℃，加强水循环和工件的搅动可以加速工件在高温区的冷却速度。水虽不是理想淬火介质，但却适用于尺寸不大、形状简单的碳钢工件淬火。
油：在650～550℃内冷却较慢，不适用于碳钢，300～200℃范围内冷很慢，有利于淬火工件的组织应力，减少工件变形和开裂倾向。与水相反，提高油温可以降低粘度，增加流动性，故可以提高高温区的冷却能力。但是油温过高易着火，一般应控制在60～80℃。适用于对过冷奥氏体比较稳定的合金钢。
水与油作为淬火介质各有优缺点，但均不是属于理想的冷却介质。水的冷却能力很大，但冷却特性不好；油冷却特性较好，但其冷却能力又低。由于水是价廉、容易获得、性能稳定的淬火介质，因此
目前世界各国都在发展有机水溶液作为淬火介质。美国应用浓度为15％聚乙烯醇、0.4％抗粘附剂、0.1％防泡剂的淬火介质，以及国内使用比较广泛的新型淬火介质有过饱和硝盐水溶液等。它们的共同特点是冷却能力介于水、油之间，接近于理想淬火介质。主要用于贝氏体等温淬火，马氏体分级淬火，常用于处理形状复杂、尺寸较小和变形要求严格的工件。
5、淬火方法（常用的淬火方法：单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火）
1、单介质淬火
优点：操作简单、易实现机械化、应用广泛。
缺点：水中淬火变形与开裂倾向大；油中淬火冷却速度小，淬透直径小，大件无法淬透。
2、双介质淬火
优点：减少热应力与相变应力，从而减少变形、防止开裂。
缺点：工艺不易掌握，要求操作熟练。
适用于中等形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。
3、局部淬火
为了避免工件其它部分产生变形或开裂，即可用局部淬火。
4、马氏体分级淬火
优点：使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体，从而减少变形。
缺点：只适用于尺寸较小的零件，否则淬火介质冷却能力不足，温度也难于控制。
5、马氏体等温度淬火优点：下贝氏体的硬度略低于马氏体，但综合力学性能较好，应用广泛。
6、钢的淬透性与淬硬性
（一）淬透性：决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，即应该是全淬成马氏体的深度。
1.影响淬透性因素
（1）钢的化学成分。除Co以外的合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体稳定性，降低马氏体临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。
（2）奥氏体化条件。提高奥氏体的温度，延长保温时间，使奥氏体晶粒粗大，成分均匀，残余渗碳体和碳化物的溶解彻底，使过冷奥氏体起稳定，使C曲线越向右移，马氏体临界冷却速度就越小，则钢的淬透性越好。
2.淬透性表示方法。常用临界直径大小来定理的比较不同钢种的淬透性大小。临界直径是指钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体（或50％马氏体）组织的最大直径。用Dc表示。在同一冷却介质中，钢的临界直径越大，其淬透性越好；但同一钢种在冷却能力大的介质中，比冷却能力小的介质中所得的临界直径要大些。
牌号临界直径/mm
淬水淬油
4513～16.55～9.5
20Cr12～196～12
3.淬透性的实用意义：
1）淬透——性能均匀一致
2）未淬透——韧性降低
（二）钢的淬硬性：钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。
值得注意的：钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。淬透性好的钢其淬硬性不一定高，而淬火后硬度低的钢也可能是具有高的淬透性。
7、钢的淬火缺陷及其防止措施
1.淬火工件的过热和过烧
过热：工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。
由于过热不仅在淬火后得到粗大马氏体组织，而且易于引起淬火裂纹，因此，淬火过热的工件强度和韧性降低，易于产生脆性断裂。轻微的过热可用延长回火时间补救。严重的过热则需进行一次细化晶粒退火，然后再重新淬火。
过烧：淬火加热温度太高，使奥氏体晶界局部熔化或者发生氧化的现象。
过烧是严重的加热缺陷，工件一旦过烧无法补救，只能报废。过烧的原因主要是设备失灵或操作不当造成的。高速钢淬火温度高容易过烧，火焰炉加热局部温度过高也容易造成过烧。
2.淬火加热时的氧化和脱碳
淬火加热时，钢件与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷。氧化使工件尺寸减小，表面光洁度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺陷。工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度。因此，淬火加热
时，在获得均匀化奥氏体时，必须注意防止氧化和脱碳现象。在空气介质炉中加热时，防止氧化和脱碳最简单的方法是在炉子升温加热时向炉内加入无水分的木炭，以改变炉内气氛，减少氧化和脱碳。此外，采用盐炉加热、用铸铁屑覆盖工件表面，或是在工件表面热涂硼酸等方法都可有效地防止或减少工件的氧化和脱碳。
3.淬火时形成的内应力
有两种情况：①工作在加热或冷却时，引起的热应力。
②由于热处理过程中各部位冷速的差异引起的相变应力。
当两力相复合超过钢的屈服强度时，工件就变形；当复合力超过钢的抗拉强度时，工件就开裂。
解决办法：①工件在加热炉中安放时，要尽量保证受热均匀，防止加热时变形；
②对形状复杂或导热性差的高合金钢，应缓慢加热或多次预热，以减少加热中产生的热应力；
③选择合适的淬火冷却介质和淬火方法，以减少冷却中热应力和相变应力。
但淬火不是最终热处理，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。钢淬火后再经回火，是为了使工件获得良好的使用性能，以充发挥材料的潜力。所以淬火和回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。
第五节钢的回火
1、定义：钢件淬火后，再加热到A1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。
2、目的：
1）稳定组织，消除淬火应力
2）调整硬度、强度、塑性、韧性
3、淬火钢在回火时组织的转变
1）马氏体的分解（＞100℃）
2）残余奥氏体的转变（200～300℃）
3）碳化物的转变（250～450℃）
4）渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶（＞450℃）
4、钢在回火时性能变化
1）回火方法：
（1）低温回火（150～250℃），组织是回火马氏体，和淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。硬度为58～64HRC，主要用于高碳钢，合金工具钢制造的刃具、量具、模具及滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火件等。
（2）中温回火（350～500℃），组织为回火屈氏体，对于一般碳钢和低合金钢，中温回火相当于回火的第三阶段，此时碳化物开始聚集，基体开始回复，淬火应力基本消除。硬度为35～50HRC，具有高的弹性极限，有良好的塑性和韧性，主用于弹性件及模具处理。
（3）高温回火（500～650℃），组织为回火索氏体，硬度为220～330HBS。淬火和随后的高温回火称为调质处理，经调质处理后，钢具有优良的综合机械性能。因此，高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件，如曲轴、连杆、螺栓、机床主轴及齿
轮等重要的机器零件。钢经正火后和调质后的硬度很相近，但重要的结构件一般都要进行调质而不采用正火。在抗拉强度大致相同情况下，经调质后的屈服点、塑性和韧性指标均显著超过正火，尤其塑性和韧性更为突出。
2）回火时间：一般为1～3h
3）回火冷却：一般空冷。一些重要的机器和工模具，为了防止重新产生内应力和变形、开裂，通常都采用缓慢的冷却方式。对于有高温回火脆性的钢件，回火后应进行油冷或水冷，以抑制回火脆性。
5、回火脆性
第一类回火脆性：300℃左右，无法消除，低温回火脆性。产生这类回火脆性的原因，一般认为在此回火温度范围内碳化物以断续的薄片沿马氏体片或马氏体条的界面析出，这样硬而脆的薄片与马氏体间结合较弱，降低了马氏体晶界处强度，因而使冲击韧性降低。
第二类回火脆性：400～500℃，，高温回火脆性。产生这类原因是由于经高温回火后缓冷通过脆化温度区所产生的脆性。办法：快冷；提高钢的纯洁度，减少有害元素的含量等。
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